온도 측정 대신 음향 방출 기술을 사용하여 지하 석탄 가스화에서 가스화 영역 및 그 동작을 모니터링합니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9757(2023) 이 기사 인용

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지하 석탄 가스화(UCG)는 가스화 과정이 보이지 않고 반응 온도가 1000°C를 초과하기 때문에 가스화 영역에 대한 모니터링이 필요합니다. 석탄 가열로 인해 발생한 많은 파쇄 사건은 UCG 중 음향 방출(AE) 모니터링 기술을 통해 포착할 수 있습니다. 그러나 UCG 동안 균열 현상을 생성하는 온도 조건은 아직 명확하지 않습니다. 따라서 본 연구에서는 UCG 시 모니터링 방법으로 온도 측정 대신 AE 기법의 적용 가능성을 검토하기 위해 온도와 AE 활동을 측정하여 석탄 가열 실험과 소규모 UCG 실험을 수행한다. 결과적으로, 특히 석탄 가스화 과정에서 석탄의 온도가 급격하게 변할 때 많은 파쇄 현상이 발생합니다. 또한, 열원 근처의 센서에서 AE 이벤트가 증가하고 고온 영역이 확장됨에 따라 AE 소스가 광범위하게 확장됩니다. AE 모니터링은 온도 모니터링 대신 UCG 중 가스화 영역을 추정하는 데 효과적인 기술입니다.

전 세계적으로 경제 및 인구 증가로 인해 에너지 수요가 날로 증가하고 있습니다. 석탄은 매장량이 많고 지역적 편재성이 적기 때문에 여전히 1차 에너지로서 중요한 에너지 자원입니다. 그러나 기존 광산 시스템의 기술적, 경제적 이유로 인해 많은 석탄 자원이 발굴되지 않은 채 방치되고 있습니다. 지하 석탄 가스화(UCG)는 현장 가스화를 통해 지하에서 석탄 에너지를 회수하는 기술입니다. UCG는 미개발 석탄으로부터 에너지를 회수할 수 있기 때문에 석탄으로부터의 에너지 회수율 향상에 기여합니다. 또한, 석탄층의 주입제와 온도는 제품 가스 구성에 영향을 미칩니다. 예를 들어 증기 주입은 수소 생산을 향상시킵니다1,2,3. 따라서 UCG는 청정 석탄 기술로서 석탄 에너지 회수를 향상시킬 수 있는 유망한 선택입니다. UCG에서는 고온으로 가스화 영역을 확장하여 제품 가스를 향상시킬 수 있습니다. 한편, 가스화 구역의 과도한 확장은 가스 누출, 주변 지반의 변형, 지하수 오염 등 여러 가지 환경 문제를 야기한다4,5,6. 따라서 UCG에서는 가스화 영역을 제어하기 위한 모니터링 시스템이 필요합니다.

UCG의 가스화 면적은 석탄의 온도로 추정할 수 있습니다7,8. 그러나 실제 UCG 현장에서는 석탄층의 온도를 측정하는 것이 현실적으로 어렵다. 온도 측정 대신 UCG의 가스화 영역을 모니터링하기 위해 몇 가지 기술이 도입되었습니다. 전기 저항 단층 촬영9, 전기 저항률 방법10, 미세 중력 조사11, 지표 투과 레이더12,13 등 지구물리학적 모니터링 기술의 적용이 논의되었습니다. 수학적 모델을 사용하여 공동 성장과 가스화 화염의 속도를 추정하는 방법도 설명되었습니다14,15,16,17. 이 연구는 가스화 영역을 모니터링하기 위해 음향 방출(AE)을 적용하는 데 중점을 둡니다. 가열 시 석탄의 팽창 또는 수축으로 인해 미세 지진이 발생하므로 AE 모니터링은 온도 측정의 대체 기술이 될 수 있습니다. 재료에 균열이 발생하면 AE가 동시에 발생하므로 AE 모니터링을 통해 실시간 모니터링이 가능합니다. 또한, 지진 발생 시간과 센서 조정의 차이를 지진원 위치 분석으로 계산하여 균열 활동 위치를 파악할 수 있습니다. 많은 학자들은 광물의 서로 다른 열팽창 계수18,19, 기공 구조 변화20,21,22 및 열 수축23,24,25로 인해 석탄 가열 시 균열이 발생한다고 보고했습니다. Ding et al.26은 석탄 가열에 따른 AE 수와 균열 발생을 측정했습니다. AE 신호는 특히 균열 폭이 300~500°C 미만으로 확장될 때 활성화됩니다. 또한 AE 신호는 가열하지 않는 경우에 비해 부하 조건에서 가열하면 증가하는 것으로 보고되었습니다.